WO2000075896A1 - Verfahren und warneinrichtung zur erzeugung eines glättefrühwarnsignals für strassen - Google Patents

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WO2000075896A1
WO2000075896A1 PCT/IB1999/000999 IB9900999W WO0075896A1 WO 2000075896 A1 WO2000075896 A1 WO 2000075896A1 IB 9900999 W IB9900999 W IB 9900999W WO 0075896 A1 WO0075896 A1 WO 0075896A1
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WO
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measuring station
virtual
road
station
early warning
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PCT/IB1999/000999
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Boschung, Jr.
Joachim Heierli
Original Assignee
Boschung Mecatronic Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B19/00—Alarms responsive to two or more different undesired or abnormal conditions, e.g. burglary and fire, abnormal temperature and abnormal rate of flow
    • G08B19/02—Alarm responsive to formation or anticipated formation of ice
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a smoothness early warning signal according to the preamble of claim 1 and a method for providing at least one virtual measuring station according to the preamble of claim 10. Furthermore, the invention relates to a road smoothness warning device according to the preamble of claim 14 as well as a method and a road smoothness warning device with determination a cloud value according to the preamble of claim 9 or 18.
  • Early smoothness warning is the short-term forecast of icing on roads and bridges.
  • the purpose of this early warning is the targeted preventive use of the spreading service or automatic thawing spray systems to avoid dangerous road conditions.
  • the early warning of slippage is being carried out for predetermined points on the road network, at which measuring stations with active or passive probes are provided, which detect the impending ice formation.
  • probes are provided for the air temperature, the ground temperature, the road moisture and the precipitation, and probes for the freezing temperature of the liquid on the road.
  • the measured values of the probes are sent to an evaluation device, which derives an alarm message from the measured values.
  • the early smoothness warnings are therefore limited to short, selected sections of the route for which the measuring stations are arranged. An extension of the early warning for slippery conditions to more sections of the route is necessary the installation of further measuring stations, with cost reasons preventing the extensive coverage of the road network with measuring stations, which is desirable per se.
  • thermographically record the entire road network and to derive an early slippage warning from it In order to strive for early warning of slippery surfaces, the surface temperature of the surface of the entire road network is thermographed on three different nights with different weather conditions. There are three characteristic temperature profiles that show "cold” or "warm” sections of the route. These profiles are used for the spatial interpolation of the current road condition outside the measuring station.
  • This method has disadvantages. First, the number of temperature profiles is far from sufficient to cover all weather conditions and times of day, which is a rough simplification of the interpolation, which can lead to loss of information. Secondly, the dynamics of heat and moisture exchange are not taken into account, since every thermal cartography is inevitably a snapshot of the state of the road. However, the risk of slippery roads depends on the previous weather conditions.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method by means of which extensive detection of the road network and nevertheless an accurate early warning of black ice is possible at low cost.
  • the virtual measuring stations are supplied with measurement data from real measuring stations
  • a simulated measuring station can also be equipped with a probe that is actually present at the predetermined location and have a location-specific parameter set.
  • the simulated measuring station can be formed in the evaluation device or in a circuit separate therefrom.
  • Another object of the invention is to create a method for providing such virtual measuring stations. This object is achieved with the characterizing features of claim 10.
  • the invention is based on the object of providing an early warning of slippery roads in which the greatest possible coverage of the road network is possible with little expenditure on equipment.
  • Figure 1 schematically shows a partial view of a road network with the location of real and virtual measuring stations
  • FIG. 2 shows a flowchart for the parameterization of the measuring stations
  • FIG. 3 shows a flow chart for the formation of the early warning for smoothness of a virtual measuring station
  • Figures 4a, 4b schematically show a pyrradiometer or a road section that is used to determine the cloud cover.
  • FIG. 1 shows schematically several streets 1, 2, 3, 4 of a street network and, as a box-shaped symbol, an evaluation device 5.
  • This is housed, for example, in a work area of the street maintenance service and is formed, for example, by a computer and interface circuits for connecting the computer to the individual measuring stations .
  • the computer is designed to issue an early warning for smoothness and, together with the measuring stations and the connecting means, forms the early warning for smoothness (GFS).
  • GFS early warning for smoothness
  • AMS automatic measuring stations
  • Such automatic measuring stations are generally known and are not shown in detail here.
  • VS virtual or simulated measuring station
  • the individual probes include, for example, probes for air temperature, ground temperature, road moisture, precipitation, relative humidity or dew point, freezing temperature, air speed, air pressure and traffic volume.
  • the individual probes are arranged, for example, on masts or in the road surface and, since they are known, are not described further here.
  • the data from the probes are sent to the evaluation device via lines or by radio. This can result in a smooth Generate an early warning signal for the corresponding measuring location, which is used as a signal for an entire road section.
  • at least one virtual or simulated measuring station is now provided, the virtual measuring stations VS1 to VS11 being shown in FIG. 1 as an example.
  • these virtual measuring stations have no probe at all, but this does not rule out that a probe for one of the measured values could nevertheless be present; however, the probe assembly of an automatic measuring station AMS is not available. Since no probes are provided in the virtual measuring stations, they also have no physical connection from the location of the virtual station to the evaluation device 5, but are listed in this (or in another circuit or device) as virtual stations. Virtual stations can also be provided at the same locations where automatic measuring stations are present, which is explained in more detail below; this is shown in FIG. 1 for AMS1 / VS1, AMS4 / VS4 and AMS5 / VS5 as an example.
  • the virtual stations can generally be operated on the street without any equipment and without a connection to the evaluation device, they are inexpensive and can therefore be provided in large numbers in the street network, so that area-wide monitoring of the street network can be implemented.
  • the initiation of the road network in sectors with a virtual station or its arrangement can be determined based on experience with the presence of places prone to slippery conditions or, for example, by means of thermography.
  • each virtual station is a program that accesses the measurement data of neighboring automatic measurement stations and contains or accesses parameters that are specific to the location of the respective virtual measurement station. There are therefore usually a number of automatic measuring stations AMS needed to create and operate a smooth early warning system with virtual measuring stations.
  • the automatic measuring stations are first selected, which come into question in order to collect all the necessary information (measuring data and parameters) for the virtual stations.
  • the different types in the road network are taken into account (e.g. coverings with different material properties, whereby each type should be represented by an automatic measuring station, so that the parameters of this type can be used for the virtual stations at locations with the same type of covering after their determination.
  • the spreading path for the de-icing agent must be taken into account. At least one automatic measuring station should be present for each spreading path. In FIG. 1, the spreading distances starting from the workshop at AMS5 are shown as arrows.
  • the preferred weather data for the early warning for slippery areas are the type and amount of precipitation, air temperature, cloud cover, dew point and wind force.
  • This data is initially collected selectively by the GFS meteorological network, i.e. A corresponding data record is available for each automatic measuring station in the GFS network. Every virtual station also needs its meteorological data set. This can be taken over in a simple manner from an adjacent automatic measuring station which is similarly situated with regard to the meteorological data, without any change.
  • the meteorological data record of the automatic measuring station AMS1 can also be used for the virtual station VS6.
  • value (Station VS6) function (value (station AMS1, station AMS2 7)).
  • the value of the air temperature of VS6 is determined as a function of the value of the air temperature of AMS1 and AMS2.
  • the same is done for the values of precipitation, dew point, cloud cover and wind speed. Linear or polynomial regressions can be used as functions. This transfer of weather data to another location must be satisfactory, but not perfect.
  • Station a parameterization in which parameters applicable to the station, e.g. Base properties, horizon course, are assigned to the station. Certain parameters can be taken over from those measuring stations that are of the same construction. For example, the
  • the properties of the covering at a specific virtual station are adopted by the AMS measuring station that has the same covering. Not all parameters can be determined in this way: the horizon, the visible part of the sky and the type of covering, for example, cannot. This data must be determined individually at each virtual station. For example, the horizon is determined photographically or by hand measurement. How successfully the virtual station detects the real conditions depends on how exactly the parameterization applies. In difficult cases, a mobile measuring station can be temporarily, e.g. two weeks, at the location of the virtual station, in order to optimize the parameterization.
  • the following table shows the parameters of a virtual station
  • boundary conditions (parameter 10) and material density of the covering (parameters 21-24) or can be determined, e.g. parameters 11-14.
  • Other parameters for example the value of the reflectivity of the covering (parameters 17, 18) or the thermal capacity of the covering (parameters 25-28) are preferably determined and optimized in such a way that virtual stations are also formed at locations where automatic measuring stations are available and the parameters to be determined are derived from measured values of the automatic measuring station, the parameters initially being roughly accepted (“best guess") and then using these parameters and the meteorological data which are taken over from the automatic measuring station, the parameters necessary for the smoothness warning be calculated. The parameters can then be improved by comparing them with the variables measured by the probes of the automatic measuring station and the improved parameters can be used again for the calculation.
  • the optimal value of the reflectivity of the covering is determined on fair weather days based on the amplitude of the covering temperatures.
  • the thermal capacity of the covering is found by analyzing a phase shift in the covering temperature, etc. If measured values are available, these are of course used.
  • the goal is the maximum agreement of the results of the virtual station with the measurement data of the same station.
  • the parameters and the meteorological data are now available for the virtual stations.
  • the freezing temperature at the location of the virtual station there is generally no probe available for determining the freezing temperature at the location of the virtual station, so that the freezing temperature is determined in a different way at the virtual station, whereby the following two types of determination can be used individually (or in combination):
  • One possibility is based on taking the measured freezer temperature from a measuring station with a probe, which is on the same spreading distance as the virtual station in question. For example, for the virtual station VS6, the measured freezing temperature of the automatic measuring station AMS1 is taken over after the de-icing medium spreading vehicle has passed the station AMS1. The freezing temperature of AMS2 could also be taken over, but then you have to wait until the gritter has passed this point.
  • the second option is based on spreading vehicles that record the spreading location and the spread rate, the former e.g. using a GPS device. Such spreaders are known (e.g. BoSat system embankment). On the one hand, the BoSat system (or another mobile measuring device) is used for everyone
  • the current quantity of spreading material is recorded and forwarded to the database or evaluation device 5 directs. For example, it is stated that 10 g / m 2 NaCl was scattered from VS6 to VS7.
  • the virtual station continuously calculates the hydrological balance (see next section) and thus determines the current amount of water per square meter of road. Each spreading insert therefore gives a fixed point for the salt concentration.
  • the dilution of the saline solution is calculated, which is caused by precipitation and flooding or evaporation.
  • a prerequisite is a quantified specification of the amount of precipitation at the measuring stations, for which the AMS probes are available, the measured values of which are adopted for virtual stations.
  • m is the quantity of water on the road [kg / m 2 ]
  • p (t) is the precipitation rate, excluding 1 (m,%)
  • the data control of the virtual stations is done as follows. Using the Böat BoSat system (or another mobile measuring device), various road conditions are recorded by probes mounted on the vehicles of the work yards and / or police: eg air and surface temperature, air humidity and freezing temperature. This data can be collected on an irregular basis when passing through the locations of the virtual stations can be measured.
  • the "virtual station” concept has the following advantages over the thermography method.
  • the database forms the memory of the system, the computing method implements it. Every weather situation is automatically included in the calculation.
  • the meteorological data can also be supplied by another measuring network, for example the ANETZ of the SMA (Swiss Meteorological Institute).
  • the hydrological balance can be fully taken into account in the calculation model.
  • a virtual station is naturally cheaper than a measuring station, since it consists mainly or exclusively of software.
  • the accuracy of a virtual station may initially appear to be lower than that of thermography, since the latter has a measurement of the three temperature profiles with high resolution and accuracy.
  • these profiles are only a snapshot that reflect a very specific weather situation, time of day, temperature and previous road and weather conditions. They are therefore unsuitable for interpolation under any conditions. A substantial loss of accuracy must therefore be accepted.
  • the virtual station makes up for this with its flexible calculation.
  • Another aspect of the invention relates to the detection of cloud cover, which is included in the calculation of the thermal balance according to equation (11).
  • FIGS. 4a and 4b schematically show, on the one hand, a known pyrradiometer, by means of which the global radiation QG (0.3-3.0 ⁇ m) and the infrared radiation QTR (3.0 - 50 ⁇ m) are measured.
  • the latent heat flow (condensation, evaporation etc.) QL, the sensitive heat flow (convection, wind) QS and the heat conduction within the street (diffusion) is assumed to be zero.
  • QL, QS and QD are computed and QTR + QG are optimized by comparing the calculated surface temperature TB (measurement) with the measured surface temperature (calculation); the prevailing cloud cover is inferred from QIR and QG.

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Abstract

Zur Abgabe von Glatteisfrühwarnsignalen bei Strassen (1, 2, 3, 4) werden neben automatischen Messstationen (AMS1-AMS5), welche Sonden für die Wetterbedingungen und den Gefrierpunkt auf der Strasse befindlicher Flüssigkeit aufweisen, virtuelle Stationen (VS1-VS11) geschaffen und eingesetzt, für welche Wetterdaten, Gefrierpunktdaten und Parameter aus den automatischen Messstationen übernommen werden, um mittels einer Auswerteinrichtung (5) auch für die virtuellen Stationen eine Glatteisfrühwarnung abzugeben.

Description

Verfahren und Warneinrichtung zur Erzeugung eines Glättefrühwarnsignals für Strassen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Glättefrühwarnsignals gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bereitstellung mindestens einer virtuellen Messstation gemäss Oberbe- griff des Anspruchs 10. Ferner betrifft die Erfindung eine Strassenglättewarneinrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 14 sowie ein Verfahren und eine Strassenglättewarneinrichtung mit Ermittlung eines Bewölkungswertes gemäss Oberbegriff des Anspruchs 9 bzw. 18.
Stand der Technik
Unter Glättefrühwarnung versteht man die kurzfristige Prognose von Vereisung auf Strassen und Brücken. Zweck dieser Frühwarnung ist der gezielte präventive Einsatz des Streudienstes oder automatischer Tau- mittelsprühanlagen zur Vermeidung gefährlicher Strassen- zustände .
Gegenwärtig wird die Glättefrühwarnung für vorbestimmte Stellen des Strassennetzes durchgeführt, an welchen Messstationen mit aktiven oder passiven Sonden vorgesehen sind, welche die sich anbahnende Eisbildung erfassen. So sind insbesondere Sonden für die Lufttemperatur, die Bodentemperatur, die Fahrbahnfeuchte und den Niederschlag vorgesehen sowie Sonden für die Gefriertemperatur der auf der Fahrbahn befindlichen Flüssigkeit. Die Messwerte der Sonden werden an eine Auswerteinrichtung gegeben, welche aus den Messwerten eine Alarmmeldung ableitet. Die Glättefrühwarnungen sind daher auf kurze, ausgesuchte Streckenabschnitte begrenzt, für welche die Messstationen angeordnet sind. Eine Ausdehnung der Glättefrühwarnung auf mehr Streckenabschnitte bedingt dabei die Aufstellung von weiteren Messstationen, wobei Kostengründe die an sich wünschbare weitgehende Abdeckung des Strassennetzes mit Messstationen verhindern. Es ist daher zur Erzielung einer flächendeckenden Glättefrühwarnung vorgeschlagen worden, das gesamte Strassennetz thermogra- fisch zu erfassen und daraus eine Glättefrühwarnung abzuleiten. Um flächendeckende Glättefrühwarnung anzustreben, wird dabei in drei verschiedenen Nächten mit unterschiedlichen Wetterbedingungen die Oberflächentemperatur des Belages im gesamten Strassennetz thermografiert . Es ergeben sich drei charakteristische Temperaturprofile, die "kalte" bzw. "warme" Streckenabschnitte aufzeigen. Diese Profile werden für die räumliche Interpolation des gegenwärtigen Strassenzustandes ausserhalb der Messstation herangezogen. Diese Methode hat Nachteile. Erstens reicht die Anzahl der Temperaturprofile bei weitem nicht aus, alle Wetterlagen und Tageszeiten abzudecken, was einer groben Vereinfachung der Interpolation gleichkommt, die durchaus zu Informationsverlust führen kann. Zweitens wird die Dynamik des Wärme- und Feuchteaustausches nicht berücksichtigt, da jede thermische Kartografie zwangsläufig eine Momentaufnahme des Strassenzustandes ist. Die Glättegefährdung eines Strassenabschnittes hängt aber von den vorhergehenden Wetterbedingungen ab.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem bei gerin- gern Kostenaufwand eine weitgehende Erfassung des Strassennetzes und dennoch eine genaue Glatteisfrühwarnung möglich ist.
Dies wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des An- spruchs 1 erreicht.
Dadurch, dass an beliebigen vorbestimmten Stellen des Strassennetzes simulierte oder "virtuelle" Messstationen geschaffen werden, kann die Abdeckung des Strassennetzes ohne grossen apparativen Aufwand so deutlich erhöht werden, dass praktisch eine lückenlose Erfassung möglich wird. Die virtuellen Messstationen werden dabei mit Messdaten von realen Messstationen versorgt
(was indes nicht ausschliesst , dass eine solche simulierte Messstation auch mit einer tatsächlich an der vorbestimmten Stelle vorhandenen Sonde ausgerüstet sein kann) und besitzen einen ortsspezifischen Parametersatz. Die simulierte Messstation kann dabei in der Auswerteinrichtung oder in einer davon separaten Schaltung gebildet werden .
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bereitstellung solcher virtuel- len Messstationen zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Strassenglättefrühwarneinrichtung zu schaffen, bei welcher mit geringem apparativem Aufwand eine möglichst weitgehende Abdeckung des Strassennetzes möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Strassenglätte- frühwarneinrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Ferner soll ein Verfahren und eine Strassenglättefrühwarneinrichtung geschaffen werden, welche die möglichst wartungsarme und kostengünstige Feststellung des Bewölkungsgrades erlaubt.
Dies wird gemäss Anspruch 9 bzw. 18 erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 schematisch eine Teilansicht eines Strassennetzes mit der Lage von realen und virtuellen Messstationen;
Figur 2 ein Flussdiagramm für die Parametri- sation der Messstationen;
Figur 3 ein Flussdiagra m für die Bildung der Glättefrühwarnung einer virtuellen Messstation, und
Figuren 4a, 4b schematisch ein Pyrradiometer bzw. ein Strassenstück, das zur Bestimmung der Bewölkung eingesetzt wird.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Nachfolgend wird das Vorgehen zur Bildung einer virtuellen Messstation und deren Betrieb näher erläutert. Figur 1 zeigt dabei schematisch mehrere Strassen 1, 2, 3, 4 eines Strassennetzes sowie als kastenförmiges Symbol eine Auswerteinrichtung 5. Diese ist z.B. in einem Werkhof des Strassenunterhaltsdienstes untergebracht und wird z.B. von einem Rechner und Schnittstellenschaltungen zur Verbindung des Rechners mit den einzelnen Messstationen gebildet. Der Rechner ist zur Abgabe eines Glätte- frühwarnsignales ausgestaltet und bildet zusammen mit den Messstationen und den Verbindungsmitteln das Glättefrüh- warnsystem (GFS) . In der Figur sind mehrere herkömmliche automatische Messstationen (AMS) als AMS1 bis AMS5 symbolisch als Punkte im Strassennetz dargestellt. Solche automatischen Messstationen sind grundsätzlich bekannt und werden hier nicht im einzelnen dargestellt. Sie umfassen z.B. Sonden für Lufttemperatur, Bodentemperatur, Fahrbahnfeuchte, Niederschlag, relative Feuchte oder Taupunkt, Gefriertemperatur, Luftgeschwindigkeit, Luftdruck und Verkehrsmenge. Die einzelnen Sonden sind dabei z.B. an Masten oder im Fahrbahnbelag angeordnet und werden hier, da bekannt, nicht weiter beschrieben. Die Daten der Sonden werden über Leitungen oder über Funk an die Auswerteinrichtung abgegeben. Diese kann daraus ein Glätte- frühwarnsignal für den entsprechenden Messort erzeugen, das als Signal für einen ganzen Strassenabschnitt verwendet wird. Gemäss der Erfindung ist nun mindestens eine virtuelle oder simulierte Messstation (VS) vorgesehen, wobei in der Figur 1 als Beispiel die virtuellen Messstationen VS1 bis VS11 eingezeichnet sind. Diese virtuellen Messstationen weisen in der Regel gar keine Sonde auf, was indes nicht ausschliesst , dass trotzdem eine Sonde für einen der Messwerte vorhanden sein könnte; es ist aber nicht die Sondenbestückung einer automatischen Messstation AMS vorhanden. Da keine Sonden bei den virtuellen Messstationen vorgesehen sind, besitzen diese auch keine physische Verbindung vom Ort der virtuellen Station zur Auswerteinrichtung 5, sondern werden in dieser (oder in einer anderen Schaltung oder Einrichtung) als virtuelle Stationen aufgeführt. Virtuelle Stationen können auch an denselben Orten vorgesehen sein, an denen automatische Messstationen vorhanden sind, was nachfolgend noch näher erläutert wird; in Figur 1 ist dies für AMS1/VS1, AMS4/VS4 und AMS5/VS5 als Beispiel dargestellt. Da die virtuellen Stationen in der Regel ohne apparativen Aufwand an der Strasse und ohne Verbindung zur Auswerteinrichtung betrieben werden können, sind diese kostengünstig und können daher in grosser Zahl im Strassennetz vorgesehen werden, so dass sich eine flächendeckende Überwachung des Strassennetzes realisieren lässt. Die Einleitung des Strassennetzes in Sektoren mit einer virtuellen Station bzw. deren Anordnung kann nach Erfahrungswerten des Vorliegens glättegefährdeter Stellen oder z.B. mittels Thermografie bestimmt werden.
Hauptbestandteil jeder virtuellen Station ist ein Programm, welches auf die Messdaten benachbarter automatischer Messstationen zugreift und Parameter enthält oder auf diese zugreift, die für den Ort der jeweiligen virtuellen Messstation spezifisch sind. Es werden daher in der Regel eine Anzahl automatischer Messstationen AMS benötigt, um ein Glättefrühwarnsystem mit virtuellen Messstationen erstellen und betreiben zu können.
Für die Erstellung der virtuellen Stationen werden zunächst die automatischen Messstationen ausge- sucht, die in Frage kommen um alle notwendigen Informationen (Messdaten und Parameter) für die virtuellen Stationen zu sammeln. Es werden dabei die verschiedenen Bauarten im Strassennetz berücksichtigt (z.B. Beläge mit verschiedenen Materialeigenschaften, wobei jede Bauart durch eine automatische Messstation vertreten sein soll, damit man die Parameter dieser Bauart nach deren Bestimmung für die virtuellen Stationen an Orten mit der selben Belagsbauart verwenden kann. Weiter muss die Streustrecke für das Taumittel berücksichtigt werden. Pro Streustrecke sollte mindestens eine automatische Messstation vorhanden sein. In der Figur 1 sind die Streustrecken ausgehend vom Werkhof bei AMS5 als Pfeile dargestellt.
Die bevorzugt erhobenen Wetterdaten für die Glättefrühwarnung sind Niederschlagsart und -Menge, Luft- temperatur, Bewölkung, Taupunkt und Windstärke. Diese Daten werden zunächst punktuell durch das meteorologische GFS-Messnetz erhoben, d.h. für jede automatische Messstation im GFS-Netz ist ein entsprechender Datensatz verfügbar. Auch jede virtuelle Station benötigt ihren meteoro- logischen Datensatz. Dieser kann auf einfache Weise von einer bezüglich der meteorologischen Daten ähnlich situ- ierten, benachbarten automatischen Messstation ohne Änderung übernommen werden. So könnte z.B. der meteorologische Datensatz der automatischen Messstation AMS1 eben- falls für die virtuelle Station VS6 verwendet werden.
Dies erfolgt z.B. derart, dass die Auswerteinrichtung 5 die Information enthält, dass die übermittelten meteorologischen Daten von AMS1 auch für VS1 gelten. Um einen genaueren Satz von Wetterdaten für die jeweiligen Statio- nen VS zu erhalten können diese Daten als Funktion der Wetterdaten mehrerer automatischer Messstationen (oder auch virtueller Stationen) bestimmt werden, z.B.: Wert (Station VS6) = Funktion (Wert (Station AMS1, Station AMS2 ...)). Zum Beispiel der Wert der Lufttemperatur von VS6 wird als Funktion vom Wert der Lufttemperatur von AMS1 und AMS2 bestimmt. Dasselbe wird für die Werte von Niederschlag, Taupunkt, Bewölkung und Windgeschwindigkeit ausgeführt. Als Funktionen kommen lineare bzw. polynomia- le Regressionen in Frage. Diese Übernahme von Wetterdaten für einen anderen Ort muss zwar zufriedenstellend, aber nicht perfekt sein. Ferner umfasst die Bildung jeder virtuellen
Station eine Parametrisation, bei welcher für die Station geltende Parameter, z.B. Belagseigenschaften, Horizontverlauf, der Station zugeordnet werden. Dabei können bestimmte Parameter von jenen Messstationen übernommen wer- den, die gleich gebaut sind. Zum Beispiel werden die
Eigenschaften des Belags an einer bestimmten virtuellen Station von jener Messstation AMS übernommen, die den gleichen Belag aufweist. Nicht alle Parameter können so bestimmt werden: Der Horizont, der sichtbare Himmelsan- teil und der Belagstyp beispielsweise nicht. Diese Daten müssen individuell an jeder virtuellen Station ermittelt werden. Zum Beispiel wird der Horizont fotografisch oder per Handmessung bestimmt. Wie erfolgreich die virtuelle Station die realen Verhältnisse erfasst hängt davon ab, wie genau die Parametrisation zutrifft. Bei schwierigen Fällen kann jederzeit eine mobile Messstation temporär, z.B. zwei Wochen, am Standort der virtuellen Station bereitgestellt werden, um die Optimierung der Parametrisation vorzunehmen. Die folgende Tabelle zeigt die Parameter einer virtuellen Station
Text Name der virtuellen Station (VS) # Identifikator der VS # Dazugehörende Klimazone # Quell-AMS für Klimadaten # Quell-AMS für Belagsart # Quell-AMS für Gefriertemperatur bzw. Salzgehalt
(letzte MAS vor VS in Streuroute) deg o. rad Längengrad deg o. rad Breitengrad m Höhe über Meer 0,1,2 Art der Randbedingung der Fahrbahn (0: Erdreich,
1: tiefe Brücke, 2: hohe Brücke) deg o. rad Durchschnittlicher Horizontalwinkel im Sektor E-SE deg o. rad " S-SE deg o. rad " S-SW deg o. rad " W-SW 0.5 - 1.3 Lokaler Windfaktor gegenüber offener Lage # Identifikator der Luftdruck-Referenzstation im GFS
System 0-100 % Infrarot Emissivität der Fahrbahn 0-100 % Albedo der Fahrbahn m Breite der Fahrbahn 0-100 % Sichtbarer Anteil der Himmelshalbkugel in % kg/m3 Materialdichte des Belages (Schicht 0) kg/m3 " der Schicht 1 kg/m3 " der Schicht 2 kg/m3 " der Schicht 3 J/kg/K Spezifische Wärmekapazität des Belages (Schicht 0) J/kg/K " der Schicht 1 J/kg/K " der Schicht 2 J/kg/K " der Schicht 3 W/m/K Thermische Konduktivität des Belages (Schicht 0) W/m/K " der Schicht 1 W/m/K " der Schicht 2 W/m/K " der Schicht 3 m Tiefe der oberen Grenze der Schicht 1 m " der Schicht 2 m " der Schicht 3 m Gesamttiefe der Fahrbahn für die Rechnung # Belagstyp Wie gesagt, können Parameter aufgrund der Lage der virtuellen Station einfach eingesetzt werden, z.B. Randbedingung (Parameter 10) und Materialdichte des Belages (Parameter 21-24) oder können ermittelt werden, z.B. Parameter 11-14. Andere Parameter, z.B. der Wert des Reflexionsvermögens des Belags (Parameter 17, 18) oder die Wärmekapazität des Belages (Parameter 25-28) werden vorzugsweise derart ermittelt und optimiert, dass an Stellen, an denen automatische Messstationen vorhanden sind, auch virtuelle Stationen gebildet werden und die zu bestimmenden Parameter aus Messwerten der automatischen Messstation abgeleitet werden, wobei die Parameter zunächst grob angenommen werden ("best guess") und danach mit diesen Parametern und den meteorologischen Daten, die von der automatischen Messstation übernommen werden, die für die Glättewarnung notwendigen Grossen berechnet werden. Durch Vergleich mit den durch die Sonden der automatischen Messstation gemessenen Grossen können dann die Parameter verbessert werden und die verbesserten Parame- ter erneut der Berechnung zugrunde gelegt werden. Figur 2 zeigt den entsprechenden Ablauf, wobei für die virtuelle Station die Werte der Grossen TB (Temperatur des Belages) und F (Belagsfeuchte) gerechnet werden und mit den Werten der Grossen TB und F der automatischen Messstation ver- glichen werden, die eine Belagstemperatur-Sonde und eine Belagsfeuchte-Sonde aufweist, womit sich die gesamte Parametrisation der Messstelle optimieren lässt. Zwei weitere Beispiele: Der optimale Wert des Reflexionsvermögens des Belags wird an Schönwettertagen anhand der Amplitude der Belagstemperaturen bestimmt. Die Wärmekapazität des Belages wird durch die Analyse einer Phasenverschiebung der Belagstemperatur ausfindig gemacht, usw. Sind Messwerte verfügbar, werden diese natürlich eingesetzt. Ziel ist die maximale Übereinkunft der Ergebnisse der virtuel- len Station mit den Messdaten derselben Station. Es stehen nun für die virtuellen Stationen die Parameter zur Verfügung sowie die meteorologischen Daten.
Zur Erzeugung eines Glättefrühwarnsignals ist es weiter erforderlich die Gefriertemperatur der auf der Strasse befindlichen Flüssigkeit zu kennen, welche bei den Bedingungen, die zu einer Glättefrühwarnung führen, in der Regel eine wässrige Taumittellösung ist. Bei den automatischen Messstationen sind dazu spezielle Gefrier- punktsonden in der Fahrbahn vorgesehen, welche ein Flüssigkeitsmuster abkühlen und die Gefriertemperatur bestimmen; dieses ist bekannt und wird hier nicht weiter erläutert .
Für die Bestimmung der Gefriertemperatur steht indes am Ort der virtuellen Station in der Regel keine Sonde zur Verfügung, so dass die Bestimmung der Gefriertemperatur bei der virtuellen Station auf andere Weise erfolgt, wobei die zwei folgenden Bestimmungsarten einzeln (oder auch kombiniert) eingesetzt werden können: Die eine Möglichkeit beruht auf der Übernahme der gemessenen Gefriertemperatur von einer Messstation mit Sonde, die auf derselben Streustrecke wie die betreffende virtuelle Station liegt. So kann z.B. für die virtuelle Station VS6 die gemessene Gefriertemperatur der automatischen Messstation AMS1 übernommen werden, nachdem der Taumittelstreuwagen die Station AMS1 passiert hat. Es könnte auch die Gefriertemperatur von AMS2 übernommen werden, doch muss dann zugewartet werden, bis der Streuwagen diese Stelle passiert hat. Bei der zweiten Möglichkeit wird von Streuwagen ausgegangen, welche den Streuort und die Streumenge erfassen, ersteres z.B. mittels einer GPS-Einrichtung. Solche Streuwagen sind bekannt (z.B. Böschung BoSat System) . Einerseits wird mittels dem Böschung BoSat System (oder einer anderen mobilen Messapparatur) bei jedem
Streueinsatz die momentane Menge Streugut aufgezeichnet und an die Datenbank bzw. Auswerteinrichtung 5 weiterge- leitet. Angegeben wird z.B. dass von VS6 nach VS7 10 g/m2 NaCl gestreut wurden. Andererseits rechnet die virtuelle Station andauernd die hydrische Bilanz (siehe nächster Abschnitt) und bestimmt somit die momentane Wassermenge pro Quadratmeter Fahrbahn. Jeder Streueinsatz ergibt also einen Fixpunkt für die Salzkonzentration. Bis zum nächsten Einsatz wird die Verdünnung der Salzlösung berechnet, die durch hinzukommenden Niederschlag und Wegschwemmen bzw. Verdampfung verursacht wird. Voraussetzung ist eine quantifizierte Angabe der Niederschlagsmenge bei den Messstationen, wofür bei den AMS Sonden vorhanden sind, deren Messwerte für virtuelle Stationen übernommen werden.
Die Berechnung der Wassermenge auf der Fahr- bahn und der Gefriertemperatur beruht auf folgendem Ansatz (hydrische Bilanz auf der Fahrbahnfläche) :
dm/dt = p ( t) +1 (m, . . . ) +a (m) +d (m, . . . ) [kg/s/m2]
Wobei : m die Quantität Wasser auf der Fahrbahn [kg/m2] ist, p ( t) die Niederschlagsrate, exklusive 1 (m, . . . ) ist,
1 (m, TL, TB, RF) die Niederschlagsrate durch Kondensation und Verdampfung allein ist, a (m) die Absorption des Wassers durch die Fahrbahn ist, und d (m, Verkehr) die Abflussrate des Wassers ist.
Der Quotient m/ (m+p (t ) +1 (m, . . . ) ) bestimmt die augenblickliche Verdünnung des Streusalzes auf der Fahrbahn, und d (m, . . . ) /m drückt den Salzverlust der Fahrbahn aus. In diesem Zusammenhang mit der Konzentration der wässrigen Lösung auf der Fahrbahn steht die Gefriertempe- ratur (Phasendiagramm des Streusalzes oder Raoultsches Gesetz bei niedrigen Konzentrationen) .
Alle nötigen Daten sind jetzt für jede virtuelle Station verfügbar. Die thermische Berechnung kann beginnen. Anstatt die Methode hier ausdrücklich zu beschreiben, wird hier auf eine Schrift verwiesen, die eine solche Methode beschreibt. Die beschriebene Methode oder jede andere könnte verwendet werden, solange sie denselben Ansprüchen an Genauigkeit genügt. Das Rechenverfahren muss daher alle wesentlichen physikalischen Prozesse berücksichtigen. Ob es sich dabei um eine physikalische, statistische oder anderweitige Methode handelt ist nicht von Belang. Das Ziel der "virtuelle Station" genannten Berechnung ist die Glättefrühwarnung. Dies beinhaltet die Angabe der Belagstemperatur und der Belagsfeuchte, aus denen der Strassenzustand und die Vereisungsalarme logisch abgeleitet werden. Die Berechnung soll im Zeitschritt von 6 bis 15 Minuten nachgeführt werden. Figur 3 zeigt schematisch den Ablauf der Berechnung, welcher je nach Resultat zu einer Glatteiswarnung führt oder nicht.
Für die thermische Berechnung wird dabei auf die Schrift Nefzger H. , Karpot A. , Einfluss von Strahlung und Mikroklima auf Strassenwetterprognosen, Bundesministerium für wirtschaftliche Strassenforschung, Heft 466 verwiesen und insbesondere auf deren Teil 3 (Energiebilanzmodell zur Prognose der Fahrbahnoberflächentemperatur) mit den Gleichungen (11) bis (19) , welcher Teil hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, um als Beispiel für eine mögliche thermische Berechnung zu dienen. Die Datenkontrolle der virtuellen Stationen geschieht wie folgt. Mittels dem Böschung BoSat System (oder einer anderen mobilen Messapparatur) werden verschiedene Zustände der Fahrbahn durch Sonden erfasst, die auf den Fahrzeugen der Werkhöfe und/oder Polizeien mon- tiert sind: z.B. Luft- und Belagstemperatur , Luftfeuchtigkeit und Gefriertemperatur. Diese Daten können auf un- regelmässiger Basis bei Durchfahrten an den Standorten der virtuellen Stationen gemessen werden. Dies ergibt je einen Messpunkt, der den Quervergleich mit den aktuellen Rechendaten der virtuellen Station erlaubt. Das Konzept "virtuelle Station" ergibt gegenüber der Methode mittels Thermografie folgende Vorteile. Erstens bleibt die Prozessdynamik beibehalten. Die Datenbank bildet das Gedächtnis des Systems, das Rechenverfahren setzt es um. Jede Wetterlage wird automatisch in die Berechnung einbezogen. Zweitens kann das Verfahren an beliebigen Standor- ten eingesetzt werden. Voraussetzung ist die Kommunikation mit einem beliebigen meteorologischen Messnetz, wie z.B. das GFS-Messnetz , welches in der bisherigen Beschreibung als Datenlieferant für die meteorologischen Daten beschrieben worden ist. Die meteorologischen Daten können aber auch von einem anderen Messnetz geliefert werden, z.B. dem ANETZ der SMA (Schweizerische Meteorologische Anstalt) . Drittens werden keine relevanten Wärme- und Feuchteströme vernachlässigt. Insbesondere kann die hydrische Bilanz im Rechenmodell vollumfänglich berück- sichtigt werden. Viertens ist eine virtuelle Station na- turgemäss kostengünstiger als eine Messstation, da sie hauptsächlich oder ausschliesslich aus Software besteht. Die Genauigkeit einer virtuellen Station mag gegenüber jener der Thermografie zunächst geringer er- scheinen, da letztere eine Messung der drei Temperaturprofile mit hoher Auflösung und Genauigkeit aufweist. Es gilt aber zu bedenken, dass diese Profile lediglich eine Momentaufnahme sind, die eine ganz bestimmte Wetterlage, Tageszeit, Temperatur und vorausgehende Strassen- und Wetterbedingungen reflektieren. Sie eignen sich daher schlecht für eine Interpolation bei beliebigen Bedingungen. Ein substanzieller Genauigkeitsverlust muss also in Kauf genommen werden. Diesen macht die virtuelle Station durch ihre flexible Berechnung wett. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Erfassung der Bewölkung, welche in die Berechnung der thermischen Bilanz gemäss Gleichung (11) eingeht. Die Er- fassung der Bewölkung erfordert entweder menschliche Beobachtung oder den Einsatz eines Messgerätes zur Bestimmung der Infrarot-Strahlungsbilanz (Pyrradiometer) . Allerdings sind diese Geräte anfällig auf Verschmutzung und aufwendig bezüglich Wartung. Deshalb wird ihr Einsatz in Strassenmessnetzen nicht bevorzugt. Statt dessen kann die Strasse selbst als Ersatz-Pyrradiometer eingesetzt werden: Die Belagstemperaturen werden in einem Näherungsverfahren mit verschiedenen angenommenen Bewölkungsgrad ge- rechnet, bis sie mit den gemessenen Belagstemperaturen übereinstimmen. Dieser Bewölkungsgrad wird dann als aktueller Messwert aufgefasst und in der Datenbank abgelegt. Die Figuren 4a und 4b zeigen schematisch einerseits ein bekanntes Pyrradiometer, mittels welchem die Globalstrah- lung QG (0,3-3,0 μm) und die Infrarotstrahlung QTR (3,0 - 50 μm) gemessen wird, im Pyrradiometer werden der Latent- wärmefluss (Kondensation, Verdampfung usw. ) QL, der sensible Wärmefluss (Konvektion, Wind) QS und die Wärmeleitung innerhalb der Strasse (Diffusion) zu Null angenommen wird. Bei der Verwendung der Strasse als Pyrradiometer werden QL, QS und QD rechnerisch erfasst und QTR + QG werden durch den Vergleich der gerechneten Belagstemperatur TB (Mess . ) mit der gemessenen Belagstemperatur (Rechn.) optimiert; aus QIR und QG wird auf die herr- sehende Bewölkung geschlossen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines Glättefrüh- Warnsignals bei einem Strassenglättefrühwarnsystem, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine virtuelle Messstation (VSl-VSll) betrieben wird, für welche ein Glättefrühwarnsignal erzeugbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass der virtuellen Messstation meteorologische
Daten vorbestimmter automatischer Messstationen (AMS1- AMS5) des Glättefrühwarnsystems zugeordnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der virtuellen Messstation meteoro- logische Daten eines vom Glättefrühwarnsystem unabhängigen meteorologischen Messnetz zugeordnet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass der virtuellen Messstation Parameter zugeordnet werden, welche bei vorbestimmten automatischen Messstationen ermittelbar sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass der virtuellen Messstation Parameter zugeordnet werden, welche am Ort der virtuellen Messstation ermittelbar sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass für die virtuelle Messstation die Belagstemperatur und die Belagsfeuchte rechnerisch ermittelt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die virtuelle Messstation die Gefrierpunkttemperatur der sich auf der Fahrbahn befindlichen Flüssigkeit von einer vorbestimmten mit einer Gefrierpunktsonde ausgerüsteten Messstation übernommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass für die virtuelle Messstation die Gefrierpunkttemperatur unter Verwendung des von einer Streueinrichtung übermittelten Mengenwertes Taumittel pro Flächeneinheit Strasse und der berechneten hydrischen Bilanz der Strasse am Ort der virtuellen Messstation bestimmt wird.
9. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Bewölkung darstellende Grosse ermittelt wird, indem die Belagstemperatur der Strasse für verschiedene angenommene Bewölkungsgrade errechnet wird und mit der gemessenen Be- lagstemperatur verglichen wird, und dass aus dem dem gemessenen Wert am nächsten kommenden Berechnungswert auf die Bewölkung geschlossen wird.
10. Verfahren zur Bereitstellung mindestens einer virtuellen Messstation bei einem Strassenglätte- frühwarnsystem, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Ort der virtuellen Messstation im Strassennetz festgelegt wird,
- dass bestimmt wird von welchen meteorologischen Messstationen welche meteorologischen Daten der virtuellen Messstation zugeordnet werden,
- dass der virtuellen Messstation spezifische Parameter zugeordnet werden .
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort der virtuellen Messstation aufgrund einer thermografischen Aufnahme des Strassennetzes bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter ermittelt werden, indem am Standort einer automatischen Messstation (AMS) eine virtuelle Messstation eingerichtet wird und ausgehend von einer Annahme mindestens eines Parameterwertes die Belagstemperatur und/oder die Belagsfeuchte für die virtuelle Messstation berechnet wird, dass der oder die berechneten Werte mit den entsprechenden Messwerten der automatischen Messstation verglichen werden, und dass der mindestens eine Parameterwert geändert und die Schritte wiederholt werden, bis die Abweichung der berechneten und gemessenen Werte eine vorbestimmte Grosse erreicht oder unterschreitet, und dass die ermittelten Parameter einer virtuellen Messstation mit gleichen oder ähnlichen Stras- senverhältnissen und/oder Lage im Strassennetz zugeordnet werden .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter am Ort der virtuellen Station durch eine temporäre Messanordnung ermittelt und der virtuellen Messstation zugeordnet werden.
14. Strassenglättefrühwarneinrichtung mit mindestens einer automatischen Messstation (AMS1-AMS5) und mindestens einer mit dieser verbundenen Auswerteinrichtung (5), welche zur Erzeugung eines Glättefrühwarnsignals ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine virtuelle Messstation vorgesehen ist, für welche ebenfalls ein Glättefrühwarnsignal erzeugbar ist.
15. Strassenglättefrühwarneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (5) mit Zuordnungsmitteln versehen ist, welche meteorologische Messwerte und/oder Parameter, welche bei einer automatischen Messstation ermittelt und an die Auswerteinrichtung übertragen worden sind, einer oder mehreren virtuellen Messstationen zuordnen.
16. Strassenglättefrühwarneinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswerteinrichtung Rechenmittel aufweist, welche zur Berechnung der Belagstemperatur und/oder Belagsfeuchte einer virtuellen Messstation aufgrund von meteorologischen Daten und Stationsparametern ausgestaltet sind.
17. Strassenglättefrühwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung zum Empfang und/oder zur Berechnung der Gefrierpunkttemperatur für eine virtuelle Messstation ausgestaltet ist.
18. Strassenglättefrühwarneinrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 14 bis 17 , dadurch gekennzeichnet , dass sie Mittel zur Messung der Strassenbe- lagstemperatur und zur Berechnung der Strassenbelagstem- peratur in Abhängigkeit von einem angenommenen Bewölkungsgrad aufweist sowie Vergleichsmittel zum Vergleich der gemessenen und der berechneten Strassenbelagstempera- tur.
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